DE102016004223B3

DE102016004223B3 - Verfahren zur Herstellung rein elastisch ausgelegter Pressverbindungen unter Ausnutzung plastischen Materialverhaltens

Info

Publication number: DE102016004223B3
Application number: DE102016004223.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2036-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft das Verfahren zur Herstellung rein elastisch ausgelegter Pressverbindungen unter Ausnutzung plastischen Materialverhaltens, welche aus 2 bis n Fügepartnern bestehen, bei denen durch Anwendung von Materialverfestigung und Eigenspannungen nach der plastischen bzw. teilplastischen Vorbehandlung, auch als plastische Konditionierung bezeichnet, einer oder mehrerer Fügepartner der Fügezustand so eingestellt wird, dass eine rein elastische Beanspruchung der Pressverbindung vorliegt. Die Werte des elastischen Spannungszustands nach dem abgeschlossenen Fügen werden dabei so ausgelegt, dass sämtliche auftretenden betrieblichen Zusatzbelastungen der Bauteile zu rein elastischen Materialbeanspruchungen führen und weitere plastische Dehnungen bzw. Verzerrungen des Materials zu vermeiden sind. Bei der Vorbehandlung der Bauteile können diese somit nahezu vollständig plastisch beansprucht werden, wodurch eine wesentlich größere Materialausnutzung als bisher möglich ist bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Erhöhung der Sicherheiten gegen weiteres Plastizieren der Verbindungen unter Einhaltung der Kriterien der Bauteil-Gestaltfestigkeit. Dieses Verfahren ermöglicht nunmehr eine signifikante Erweiterung des Anwendungsspektrums plastisch beanspruchter Pressverbindungen auf Einsatzgebiete mit dynamischen Betriebslasten und hohen Sicherheiten gegen plastische Verformungen während des Betriebes. Des Weiteren impliziert es großes Potenzial zur Einsparung von Material- und Fertigungskosten, Bauraum und Gewicht sowie zur Steigerung der Belastbarkeit und des Volumennutzwertes von Pressverbindungen.

Description

Stand der Technik
Pressverbindungen sind sehr häufig gebrauchte Maschinenelemente und finden in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus Verwendung. Die Berechnungsgrundlagen und Gestaltungsregeln für diese Bauteile sind in DIN 7190 Teil 1 und 2 [DIN 7190 T1] [DIN 7190 T2] genormt. Ihre Auslegung und Herstellung beschränkte sich in der Praxis bisher jedoch im Wesentlichen auf die elastischen Eigenschaften des eingesetzten Materials. In DIN 7190 Teil 1 [DIN 7190 T1] sind zwar Regeln zur Berechnung und Gestaltung von elastisch-plastisch beanspruchten Pressverbänden verankert, jedoch mit beschränkter Gültigkeit und auf Verbindungen mit 2 Fügepartnern und vollem Innenteil begrenzt.
DE 10 2011 006 291 A1 [SCHAE_2012] behandelt die Pressverbindung für eine Lageranordnung bestehend aus Lagerring, Anschlusskomponente und Armierungskomponente, wobei der Lagerring mit der Anschlusskomponente sowie die Armierungskomponente mit der Anschlusskomponente verpresst sind.
AT 395 687 B [BOEHL_1993] beschreibt einen Flachrezipienten für Strangpressen und das Verfahren zu dessen Herstellung, wobei Teile dieser Vorrichtung mechanisch oder thermisch so behandelt werden, dass zumindest teilweise eine plastische Werkstoffverformung unterhalb der Anlasstemperatur erfolgt.
Problemstellung
Ein wichtiger Hinderungsgrund für die praktische Anwendung elastisch-plastisch beanspruchter PV war bisher neben den eingeschränkten normativen Auslegungsvorschriften vor allem auch das Problem der betrieblichen Zusatzbelastungen. Die Mehrzahl der PV unterliegt in der Praxis Beanspruchungen aus betrieblichen Zusatzbelastungen. In erster Linie resultieren diese aus Umlaufbiegemomenten, Temperaturänderungen bzw. lokalen Temperaturgradienten, instationären Fliehkräften und Betriebskräften sowie dynamischen Momenten. Zur Herstellung elastisch-plastisch beanspruchter Pressverbände existieren bereits seit geraumer Zeit Berechnungsgrundlagen und Gestaltungsregeln. Diese Bauteile sind dementsprechend jedoch so gefertigt, dass während des Fügevorgangs ein plastischer Zustand erzeugt wird, bei welchem eine zusätzliche Steigerung der Materialbeanspruchung durch betriebliche Zusatzbelastungen zwangsläufig zu weiteren unkontrollierten plastischen Verformungen führt. Beim Abklingen dieser betrieblichen Lasten gelangt die Pressverbindung dann durch jene zusätzlichen plastischen Verformungen jedoch nicht mehr in den anfänglichen Spannungszustand zurück. Eine der Folgen davon ist der Verlust von Fugendruck in der Kontaktzone, was zur Dezimierung der übertragbaren Kräfte und Momente führt und damit die weitere Betriebssicherheit bzw. die Lebensdauer der Bauteile gefährden kann. Bei Fliehkraft- und Temperaturbelastung tritt dieses Szenario während des Betriebes mit mehr oder weniger starker Ausprägung regelmäßig auf, wobei solche Anwendungsfälle in der Regel mit analytischen Berechnungsmethoden noch beherrschbar sind. Bei Umlaufbiegung ist dies wegen der Vielzahl von Einflussfaktoren sowie infolge der sich dadurch einstellenden komplexen Eigenspannungskonstellationen nahezu unmöglich. Erschwerend wirkt hierbei zusätzlich, dass bereits bei relativ geringer Umlaufbiegung im Bereich der Nabenkante verhältnismäßig große Spannungsüberhöhungen auftreten, so dass selbst bei rein elastisch ausgelegten Pressverbindungen mit scheinbar ausreichender Sicherheit gegen Plastizieren plastische Aufweitungen des Nabendurchmessers entstehen können. Neben der Verringerung der Tragfähigkeit der Verbindung führt dies außerdem zur Vergrößerung der Schlupfzone in Richtung der Längsachse sowie der Gefahr des Lösens des Kontaktes beim Durchlaufen der Entlastungsseite mit all den bekannten Folgen.
Zur Veranschaulichung der dargelegten Problemstellung sei auf die Darstellung der Spannungszustände in 1 verwiesen. Diese zeigt die idealplastischen Spannungsänderungen am Innendurchmesser eines unter Innendruck stehenden Außenteils in der Hauptspannungsebene, deren Achsen durch die Radialspannung auf der Abszisse und die Tangentialspannungen auf der Ordinate gebildet werden. Die Graphen stellen dabei die Fließgrenzen des Materials entsprechend der verwendeten Vergleichsspannungshypothesen dar, Gestaltänderungsenergiehypothese mit gepunkteter Linie und Modifizierte Schubspannungshypothese nach Tresca mit Strichlinie. Die Herstellung elastisch-plastisch ausgelegter Pressverbindungen mit dem Fugendruck p erfolgte demnach in der bisherigen Praxis während des Fügevorgangs entlang des Belastungspfades 0-A-B. Punkt B markierte folgerichtig den Spannungszustand am Innendurchmesser des Außenteils der Pressverbindung nach Abschluss des Fügevorgangs. Da dieser auf dem Graphen der Fließgrenze liegt, führten Beanspruchungssteigerungen durch Belastungen, wie sie während des Betriebes im Allgemeinen auftreten, zu Spannungsänderungen entlang der Fließgrenze in Richtung Punkt E und damit zwangsläufig zu weiteren unkontrollierten plastischen Verformungen, welche die Betriebssicherheit bzw. die Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen und kegeligen Pressverbindungen bestehend aus 2 bis n Fügepartnern mit kreisrunden Geometrien zu entwickeln, bei denen unter Ausnutzung von Materialverfestigung und Eigenspannungen eine plastische bzw. teilplastische Vorbehandlung so erfolgt, dass im gefügten Endzustand eine rein elastische Beanspruchung sämtlicher Fügepartner vorliegt.
Die Werte des elastischen Spannungszustands nach dem abgeschlossenen Fügen sind dabei so auszulegen, dass sämtliche auftretenden betrieblichen Zusatzbelastungen der Bauteile zu rein elastischen Materialbeanspruchungen führen und keine weiteren plastischen Dehnungen bzw. Verzerrungen des Materials zugelassen werden.
Lösung
Die vorgenannten Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nach einer elastisch-plastischen Vorbehandlung der Fügepartner einer Pressverbindung, welche auch als plastisches Konditionieren bezeichnet wird, eine rein elastische Entlastung und gegebenenfalls nachfolgende Wiederbelastung dieser Fügepartner so hergestellt werden kann, dass ein rein elastischer Spannungszustand gezielt zu erreichen ist, welcher bei den zu erwartenden Beanspruchungen der Bauteile während des Betriebes zu rein elastischen Spannungsänderungen führt. Weitere plastische Verformungen treten erst dann erneut auf, wenn der ursprüngliche plastische Spannungszustand überschritten wird, wogegen auch bei dem beschriebenen Verfahren entsprechende Sicherheiten kalkulierbar sind. Zur praktischen Realisierung dieses Verfahrens werden die betreffenden Fügepartner einer elastisch-plastischen Vorbehandlung unterzogen, welche für den jeweiligen Anwendungsfall speziell zu berechnen ist.
Der Spannungszustand wird dabei gemäß Gleichung (1) so dimensioniert, dass die Bauteile anschließend rein elastisch gefügt werden können und unter Berücksichtigung aller zu erwartenden Belastungen während des Betriebes eine vorgegebene Sicherheit gegen weitere plastische Beanspruchungen aufweisen. p_F,vor = p + Δp_dyn + Δp_Sich (1) mit Δp_dyn = Δp_Flieh + Δp_Therm + Δp_Bieg + Δp_Tors (2)

p_F,vor: Berechnete Kontaktdruckspannung zur gezielten elastisch-plastischen Vorbehandlung der Fügepartner in der Kontaktzone
p: Fugendruck im Stillstand gemäß [DIN 7190 T1] bzw. mittlerer theoretischer Fugendruck gemäß [DIN 7190 T2]
Δp_dyn: Änderung der Kontaktdruckspannung infolge betrieblicher Belastungen
Δp_Sich: Änderung der Kontaktdruckspannung durch vorgegebene Sicherheit gegen erneute plastische Beanspruchung
Δp_Flieh: Änderung der Radialspannung infolge Fliehkrafteinwirkungen
Δp_Therm: Änderung der Kontaktdruckspannung infolge Temperaturänderungen
Δp_Bieg: Änderung der Kontaktdruckspannung infolge Biegebelastungen
Δp_Tors: Änderung der Kontaktdruckspannung infolge betrieblicher Torsionsbelastungen

Erreichte Vorteile
Das Verfahren ist sowohl für idealplastisches Material als auch für solches mit verfestigenden Eigenschaften anwendbar und kann sowohl auf Basis der Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH) als auch der modifizierten Schubspannungshypothese (MSH) berechnet werden. Im Falle idealplastischen Materialverhaltens ist dadurch eine bessere Ausnutzung über den Bauteilquerschnitt zu erzielen. Erforderliche Sicherheiten gegen weiteres unkontrollierbares Plastizieren sind somit auf weit höherem Spannungsniveau als bei rein elastischer Auslegung realisierbar. Bei verfestigenden Werkstoffen wird zusätzlich die Streckgrenze radiusabhängig bedarfsgerecht erhöht, wodurch eine signifikante Steigerung der Bauteilbelastbarkeit erreicht wird. Weitere plastische Verformungen treten hier erst wieder nach Überschreitung der erhöhten Streckgrenzen ein.
Da in der Antriebstechnik ein erheblicher Anteil der hergestellten Pressverbindungen umlaufbiegebelastet ist, bekommt hier die Anwendung des beschriebenen Verfahrens besonders große Bedeutung. Beim Einsatz von Werkstoffen mit hohen Verfestigungsexponenten sind dabei mit relativ geringem Aufwand zusätzliche Ressourcen zu erschließen.
Weiterhin können mit dem neuen Verfahren insgesamt wesentlich größere Übermaße zwischen den Fügepartnern gefertigt werden als bisher, wobei der technologische Aufwand beim Fügen nicht proportional mit dem realisierten Übermaß steigt, sondern im Vergleich zu bisherigen Verfahren sogar reduziert wird. Für thermisch gefügte Querpressverbände folgt daraus, dass die zum Fügen erforderlichen Temperaturunterschiede geringer sein müssen, weil ein Teil des Übermaßes bereits bei der Vorbehandlung plastisch realisiert wurde. Die Erwärmung der äußeren Fügepartner kann dadurch reduziert werden, was zur Vermeidung von Gefügeumwandlungen wie auch zur Einsparung von Energie von Vorteil ist. Gleiches gilt für die Abkühlung von inneren Fügepartnern.
Letztendlich darf an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, dass bisher bei rein elastischer Auslegung von Bauteilen mit ringförmigem Querschnitt aufgrund der hier in radialer Richtung auftretenden hohen Spannungsgradienten große Materialreserven ungenutzt blieben, da die Innenseite des Rings bereits einen nicht zugelassenen plastischen Spannungszustand erreicht, wenn die äußeren Zonen noch weit davon entfernt sind.
Durch das beschriebene Verfahren ist einerseits die Erhöhung des für die Übertragung von Kräften und Momenten bestimmenden Fugendrucks je nach geometrischen Verhältnissen, Streckgrenze des Materials sowie dessen Verfestigungsexponenten um ein Vielfaches möglich. Andererseits können dadurch Material sowie Bauraum und Gewicht verringert werden, was zur Kostenoptimierung in der Fertigung und der Steigerung des Nutzwertes der Produkte beiträgt.
Bei Druckölpressverbindungen wird gemäß [DIN 7190 T2] am Nabeninnendurchmesser nach dem Fügen eine Mindestsicherheit gegen Plastizieren gefordert, um die Bauteile beim Aufbringen des Öldruckes während der Demontage nicht plastisch zu beanspruchen. Diese Mindestsicherheit ist dann zwingend notwendig, wenn bei anschließender Wiedermontage ein identischer Spannungszustand erreicht werden soll. Bisher war damit für diese Pressverbindungen eine elastisch-plastische Auslegung undurchführbar. Durch das beschriebene Verfahren können genau diese Anforderungen auch unter Ausnutzung der plastischen Materialeigenschaften erfüllt und somit der Volumennutzwert beträchtlich gesteigert werden. Darüber hinaus ist die Anwendung des Verfahrens bei Druckölpressverbindungen technologisch besonders günstig, da es in Verbindung mit dem Fügevorgang diesem entsprechend der Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 direkt vorgeschaltet werden kann.
Mit diesem Verfahren kann das Spektrum der gewerblichen Anwendungen für die elastisch-plastische Materialausnutzung signifikant erweitert werden.
Weiter Ausgestaltung der Erfindung
Eine anwendungsbezogene Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 benannt. In der σ_r-σ_t-Spannungsebene von 1 lässt sich diese am Beispiel des unter Innendruck stehenden idealplastischen Außenteils einer Pressverbindung gemäß 2 folgendermaßen veranschaulichen. Die Vorbehandlung eines Bauteils [1] erfolgt zunächst entlang des Belastungspfades 0-A-B'. Dazu wird nach 2 p_F,vor am Innendurchmesser des Bauteils durch einen Zylinderring [2] und einen Zylinder [3] bis zum Erreichen von Punkt B' in 1 erzeugt, welche jeweils eine gegenseitig zugewandte kegelige Fläche aufweisen und gegeneinander verschiebbar sind. Der Zylinderring [2] wird in der Kontaktzone zur Bohrung des Fügeteils hin, welche entlang der Rotationsachse sowohl einen konstanten Nenndurchmesser als auch einen kegeligen Verlauf wie bei Kegelpressverbindungen aufweisen kann, vorzugsweise mit Drucksensoren für die Messung der Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) sowie einem Wegemesssystem zur Erfassung der Durchmesseränderung am Innendurchmesser des Bauteils ausgestattet, welche zur Erfassung des angestrebten Spannungszustandes dienen.
Durch Aufbringen der Kraft F wird entweder weg- oder kraftgesteuert ein definiertes Übermaß in der Kontaktfläche zwischen Zylinderring [2] und Bauteil [1] erzeugt, welches dann die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) hervorruft. Für Bauteile [1] mit kegeliger Bohrung ist eine Fixierung entlang der Rotationsachse vorzusehen.
Der zugehörige Entlastungspfad wird danach durch die Linie B'-C-D bestimmt. Bei vollständiger Entlastung wird der Punkt D auf dem negativen Ast der Ordinate erreicht. Dieser Punkt repräsentiert den Eigenspannungszustand des vollständig entlasteten Bauteils. Um anschließend eine Pressverbindung mit dem Fugendruck p zu fügen, muss der Innendurchmesser des Außenteils den Spannungszustand im Punkt C annehmen. Dieser befindet sich im Spannungsraum innerhalb der Fließfläche und ist somit rein elastisch. Alle betrieblichen Zusatzlasten führen danach entlang des Belastungspfades C-B' zu rein elastischen und damit reversiblen Spannungsänderungen. Weitere plastische Verformungen des Bauteils treten erst bei Überschreiten von Punkt B' entlang der Linie B'-E auf.

σ_t: Tangentialspannung im Bauteil
σ_r: Radialspannung im Bauteil
R_eL: Streckgrenze des Bauteil-Materials
GEH: Gestaltänderungsenergiehypothese
MSH: Modifizierte Schubspannungshypothese nach Tresca

In einer weiteren Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 erfolgt der Aufbau von p_F,vor mit Hilfe eines geeigneten Fluids [4] oder entsprechendem pastösem Medium [4] gemäß 3, welches innerhalb der Bohrung des Bauteils [1] so zu platzieren ist, dass der Druck, welcher im Fluid herrscht, direkt auf die Kontaktfläche zum Bauteil wirkt.
Dieser Druck kann im Fluid sowohl mechanisch, durch geeignete Pumpen, als auch thermisch herbeigeführt werden. Der thermische Druckaufbau ist dabei durch Erwärmung des Aufbaus in 3 unter Verhinderung des Abflusses des Fluids leicht zu erzeugen, da Flüssigkeiten im Allgemeinen einen wesentlich höheren Ausdehnungskoeffizienten haben als Feststoffe. Die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung P_F,vor (1) am Bauteil [1] kann dabei durch entsprechende Druckmessgeräte [5] direkt überwacht werden.
Es ist eine bekannte Tatsache, dass bei Außenteilen mit Q < 0,451 und p_F,vor > 0,796·R_eL sekundäres Plastizieren auftreten kann.

Q: Durchmesserverhältnis
D_a: Außendurchmesser des Bauteils
D_i: Innendurchmesser des Bauteils

Sekundäres Plastizieren bedeutet dabei, dass durch die Entlastung, siehe Entlastungspfad E-F in 1, die Fließgrenze der Bauteile im Punkt F wiederum erreicht wird, was zu erneuten plastischen Deformationen führt. Lässt sich im Ergebnis der rechnerischen Überprüfung auf sekundäres Plastizieren während der Auslegung bereits eine diesbezügliche Gefährdung der Bauteile erkennen, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um dieses zu verhindern. Möglichkeiten dafür bietet die Anwendung der Weiterbildungen nach Patentansprüchen 4, 5 und 6. Hierbei werden die Bauteile nach der plastischen Vorbehandlung nicht vollständig entlastet, im Beispiel von 1 bis zum Punkt C, wodurch sekundäres Plastizieren in der Mehrzahl der Anwendungsfälle ausgeschlossen werden kann.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 bedeutet mithin, dass bei Druckölpressverbindungen die erforderliche rechnerisch bestimmte radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Bauteil während des Fügevorgangs zusätzlich durch Erhöhung des Öldrucks aufgebracht wird, so dass nach der Fertigstellung wieder ein rein elastischer Zustand der Verbindung vorliegt, welcher die Bedingung nach Formel (1) erfüllt. Die Erhöhung des Öldrucks bemisst sich dabei nach Δp_dyn und Δp_Sich entsprechend der Formeln (1) und (2) der hier beschriebenen Methode. Das Übermaß zum Fügen der Bauteile muss davor so groß dimensioniert werden, dass der durch die Erhöhung des Öldrucks hervorgerufene plastische Übermaßverlust ausgeglichen wird, um den erforderlichen Fugendruck im Stillstand gemäß [DIN 7190 T1] bzw. mittleren theoretischen Fugendruck gemäß [DIN 7190 T2] zu erreichen.
Diese Methode hat den Vorteil, dass sie technologisch sehr einfach in den bekannten Arbeitsablauf zu integrieren und hier die Gefahr des sekundären Plastizierens unwahrscheinlich ist.
Bei der Ausgestaltung nach Patentanspruch 5 erfolgt die Beaufschlagung mit der erforderlichen rechnerisch bestimmten radialen Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Bauteil [1] im fertig gefügten Zustand der Pressverbindung durch Fliehkraftbeanspruchung, so dass nach Beendigung der Fliehkraftbeanspruchung wieder ein rein elastischer Zustand der Verbindung erreicht wird, welcher die Bedingung nach Formel (1) erfüllt.
Diese Methode der plastischen Konditionierung hat für fliehkraftbeanspruchte Pressverbindungen den Vorteil, dass dadurch vor allem bei verfestigendem Material ein Spannungsprofil erzeugt wird, welches adäquat zu der betrieblichen Zusatzlast während des Betriebes ist.
Das Übermaß zum Fügen der Bauteile muss vorher so groß dimensioniert werden, dass der durch die plastische Fliehkraftbeanspruchung hervorgerufene Übermaßverlust ausgeglichen wird, um den erforderlichen Fugendruck im Stillstand gemäß [DIN 7190 T1] bzw. mittleren theoretischen Fugendruck gemäß [DIN 7190 T2] zu erreichen.
In der Weiterbildung nach Patentanspruch 6 wird bei Pressverbindungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner die erforderliche rechnerisch bestimmte radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Bauteil [1] bzw. Bauteil [6] im fertig gefügten Zustand der Pressverbindung durch deren Erwärmung bei α_A < α_I bzw. Abkühlung bei α_A > α_I hergestellt, so dass nach Beendigung dieser gesteuerten Temperaturbelastung wieder ein rein elastischer Zustand der Verbindung erreicht wird, welcher die Bedingung nach Formel (1) erfüllt.

α_A: Ausdehnungskoeffizient des Außenteils
α_I: Ausdehnungskoeffizient des Innenteils

Das Übermaß zum Fügen der Bauteile muss dabei so groß dimensioniert werden, dass der durch die plastische Temperaturbelastung hervorgerufene Übermaßverlust ausgeglichen wird, um den erforderlichen Fugendruck im Stillstand gemäß [DIN 7190 T1] bzw. mittleren theoretischen Fugendruck gemäß [DIN 7190 T2] zu erreichen.
Weitere Abhilfe gegen sekundäres Plastizieren kann für konstantes p_F,vor durch Vergrößern des Durchmesserverhältnisses Q oder Material mit größerer Streckgrenze R_eL erreicht werden.
Die vorbeschriebenen Weiterbildungen beziehen sich im Wesentlichen auf Fügepartner von Pressverbindungen, welche die Funktion eines Außenteils erfüllen. Deren Spannungszustand ist im fertig gefügten Zustand der Pressverbindung dadurch charakterisiert, dass die Tangentialspannungen am Innendurchmesser immer Zugspannungen sind. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 7 beschreibt eine Ausgestaltung zur Vorbehandlung von Innenteilen, deren Tangentialspannungen am Innendurchmesser im gefügten Zustand immer als Druckspannungen wirken. Die erforderliche radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) wird durch einen Zylinderring [7] und einen weiteren Zylinderring [8] nach 4 erzeugt, welche jeweils eine gegenseitig zugewandte kegelige Fläche aufweisen und gegeneinander verschiebbar sind. Der Zylinderring [7] wird in der Kontaktzone zum Außendurchmesser des Fügeteils [6] hin, welche entlang der Rotationsachse sowohl einen konstanten Nenndurchmesser als auch einen kegeligen Verlauf wie bei Kegelpressverbindungen aufweisen kann, vorzugsweise mit Drucksensoren für die Messung der Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) sowie einem Wegemesssystem zur Erfassung der Durchmesseränderung am Innendurchmesser des Bauteils ausgestattet, welche zur Erfassung des angestrebten Spannungszustandes dienen.
Durch Aufbringen der Kraft F wird entweder weg- oder kraftgesteuert ein definiertes Übermaß in der Kontaktfläche zwischen Zylinderring [7] und Fügeteil [6] erzeugt, welches die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung P_F,vor (1) hervorruft. Für Bauteile [6] mit kegeligem Verlauf des Außendurchmessers ist dabei eine Fixierung entlang der Rotationsachse vorzusehen.
Die Ansprüche beziehen sich auf das vorbenannte Verfahren sowie alle in Verbindung damit entwickelten Prozeduren, Auslegungsvorschriften, Komponenten und Werkzeuge sowie deren Ableitungen und Weiterentwicklungen.
Beschreibung der Zeichnungen
1: Hauptspannungen am Innendurchmesser des Außenteils einer Pressverbindung mit idealplastischen Fließgrenzen nach der GEH und MSH
Die Zeichnung in 1 zeigt die idealplastischen Spannungsänderungen am Innendurchmesser eines unter Innendruck stehenden Außenteils in der Hauptspannungsebene, deren Achsen durch die Radialspannung auf der Abszisse und die Tangentialspannungen auf der Ordinate gebildet werden. Die Graphen stellen dabei die Fließgrenzen des Materials entsprechend der verwendeten Vergleichsspannungshypothesen dar, Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH) mit gepunkteter Linie und Modifizierte Schubspannungshypothese (MSH) mit Strichlinie.
2: Vorrichtung zur plastischen Vorbehandlung von Außenteilen einer Pressverbindung durch weg- oder kraftgesteuerte Übermaßgewinnung
Die Zeichnung in 2 stellt eine Vorrichtung zur plastischen Vorbehandlung von Außenteilen einer Pressverbindung dar. Die Vorbehandlung des Bauteils [1] erfolgt dabei so, dass die erforderliche radiale Kontaktdruckspannung durch einen Zylinderring [2] und einen Zylinder [3] nach 2 erzeugt wird, welche jeweils eine gegenseitig zugewandte kegelige Fläche aufweisen und gegeneinander verschiebbar sind. Durch Aufbringen der Kraft F wird entweder weg- oder kraftgesteuert ein definiertes Übermaß in der Kontaktfläche zwischen Zylinderring [2] und Bauteil [1] bewirkt, welches dann die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung p_F,vor gemäß Formel (1) hervorruft.
3: Vorrichtung zur plastischen Vorbehandlung von Außenteilen einer Pressverbindung durch Innendruck
In der Zeichnung nach 3 ist eine Vorrichtung zur plastischen Vorbehandlung von Außenteilen einer Pressverbindung durch Innendruck abgebildet. Hier erfolgt der Aufbau von p_F,vor mit Hilfe eines geeigneten Fluids [4] oder entsprechendem pastösem Medium [4], welches innerhalb der Bohrung des Bauteils [1] so zu platzieren ist, dass der Druck, welcher im Fluid herrscht, direkt auf die Kontaktfläche zum Bauteil wirkt. Die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung p_F,vor gemäß Formel (1) am Bauteil [1] kann dabei durch entsprechende Druckmessgeräte [5] direkt überwacht werden.
4: Vorrichtung zur plastischen Vorbehandlung von Innenteilen einer Pressverbindung durch weg- oder kraftgesteuerte Übermaßgewinnung
Die Zeichnung nach 4 beschreibt die Vorbehandlung von Innenteilen, deren Tangentialspannungen am Innendurchmesser im gefügten Zustand immer als Druckspannungen wirken. Die erforderliche radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor gemäß Formel (1) wird durch einen Zylinderring [7] und einen weiteren Zylinderring [8] erzeugt, welche jeweils eine gegenseitig zugewandte kegelige Fläche aufweisen und gegeneinander verschiebbar sind. Durch Aufbringen der Kraft F wird entweder weg- oder kraftgesteuert ein definiertes Übermaß in der Kontaktfläche zwischen Zylinderring [7] und Fügeteil [6] erzeugt, welches die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung p_F,vor entsprechend Formel (1) hervorruft.

Claims

Verfahren zur Herstellung von zylindrischen und kegeligen Pressverbindungen bestehend aus 2 bis n Fügepartnern [1], [6] mit kreisrunden Geometrien, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezielte elastisch-plastische Vorbehandlungen eines oder mehrerer Fügepartner [1], [6] dieser Pressverbindungen methodisch dimensionierte Spannungszustände erzeugt werden, welche im darauf folgenden Fügevorgang einen Endzustand derart gewährleisten, dass Belastungen während des Betriebes ausschließlich zu rein elastischen Spannungsänderungen führen, wobei hierzu diese Bauteile [1], [6] durch Erzeugen einer radialen Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) elastisch-plastisch derart vorbeansprucht werden, dass sich ein rechnerisch definierter elastisch-plastischer Spannungszustand einstellt, wobei dieser gemäß p_F,vor = p + Δp_dyn + Δp_Sich (1) mit Δp_dyn = Δp_Flieh + Δp_Therm + Δp_Bieg + Δp_Tors (2) und p_F,vor Berechnete Kontaktdruckspannung zur gezielten elastisch-plastischen Vorbehandlung der Fügepartner in der Kontaktzone p Fugendruck im Stillstand gemäß [DIN 7190 T1] bzw. mittlerer theoretischer Fugendruck gemäß [DIN 7190 T2] Δp_dyn Änderung der Kontaktdruckspannung infolge betrieblicher Belastungen Δp_Sich Änderung der Kontaktdruckspannung durch vorgegebene Sicherheit gegen erneute plastische Beanspruchung Δp_Flieh Änderung der Radialspannung infolge Fliehkrafteinwirkungen Δp_Therm Änderung der Kontaktdruckspannung infolge Temperaturänderungen Δp_Bieg Änderung der Kontaktdruckspannung infolge Biegebelastungen Δp_Tors Änderung der Kontaktdruckspannung infolge betrieblicher Torsionsbelastungen so dimensioniert wird, dass die Bauteile [1], [6] anschließend rein elastisch gefügt werden können und unter Berücksichtigung aller zu erwartenden Belastungen während des Betriebes eine vorgegebene Sicherheit gegen weitere plastische Beanspruchungen aufweisen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) durch einen Zylinderring [2] und einen Zylinder [3] erzeugt wird, welche jeweils eine gegenseitig zugewandte kegelige Fläche aufweisen und gegeneinander verschiebbar sind, wobei durch Aufbringen der Kraft F entweder weg- oder kraftgesteuert ein definiertes Übermaß in der Kontaktfläche zwischen Zylinderring [2] und Bauteil [1] bewirkt wird, welches dann die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) hervorruft.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche rechnerisch bestimmte radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Bauteil [1] durch ein geeignetes Fluid [4] oder entsprechendes pastöses Medium [4] erzeugt wird, welches innerhalb der Bohrung des Bauteils [1] so zu platzieren ist, dass der Druck, welcher im Fluid herrscht, direkt auf die Kontaktfläche zum Bauteil wirkt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 in Verbindung mit Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Druckölpressverbindungen die erforderliche rechnerisch bestimmte radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) an den Bauteilen [1], [6] während des Fügevorgangs zusätzlich durch Erhöhung des Öldrucks in dem Maße erzeugt wird, dass nach der Fertigstellung wieder ein rein elastischer Zustand der Verbindung vorliegt, welcher die Bedingung nach Formel (1) erfüllt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche rechnerisch bestimmte radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Bauteil [1] im fertig gefügten Zustand der Pressverbindung durch Aufbringen einer Fliehkraftbeanspruchung in der Höhe hergestellt wird, dass nach Entlastung der Fliehkraftbeanspruchung wieder ein rein elastischer Zustand der Verbindung erreicht wird, welcher die Bedingung nach Formel (1) erfüllt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Pressverbindungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner die erforderliche rechnerisch bestimmte radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Bauteil [1] bzw. Bauteil [6] im fertig gefügten Zustand der Pressverbindung durch deren Erwärmung bei α_A < α_I bzw. Abkühlung bei α_A > α_I in der Weise erzeugt wird, dass nach Beendigung dieser gesteuerten Temperaturbelastung wieder ein rein elastischer Spannungszustand der Verbindung vorliegt, welcher die Bedingung nach Formel (1) erfüllt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 in Verbindung mit Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Innenteilen [6] von Pressverbindungen, wie z. B. Hohlwellen, bei denen die Tangentialspannungen am Innendurchmesser im fertig gefügten Zustand der Pressverbindung stets Druckspannungen sind, die erforderliche radiale Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) am Außendurchmesser durch einen Zylinderring [7] und einen weiteren Zylinderring [8] erzeugt wird, wobei diese jeweils gegenseitig zugewandte kegelige Flächen aufweisen, welche gegeneinander verschiebbar sind, und wobei durch Aufbringen der Kraft F entweder weg- oder kraftgesteuert ein definiertes Übermaß in der Kontaktfläche zwischen Zylinderring [7] und Fügeteil [6] erzeugt wird, welches die rechnerisch bestimmte Kontaktdruckspannung p_F,vor (1) hervorruft.